21辐射育种专题培训课件.ppt

第一节 辐射育种的概念、特点及发展概况第二节 辐射育种的射线种类和处理方法第三节 辐射育种的生物学原理 第四节 不同材料辐射育种的程序第一节 辐射育种的概念、特点及发展概况一、诱变育种的概念一、诱变育种的概念 辐射育种（radiation breeding）：利用辐射（射线）诱发植物遗传物质发生变异，从中选择培育新品种的方法。二、辐射育种的特点二、辐射育种的特点 1 突变率高，变异谱广 自发突变：突变频率 10-5 10-8；变异范围狭窄。诱发突变：突变频率 3 ；变异范围广，类型多，甚至可以产生自然界尚未发现的新基因源。如：1969年，印度用热中子处理蓖麻，培育出成熟期由270天缩短到120天的早熟品种。2 辐射常产生点突变。可有效改良品种的单一性状，保持其它优良特性 实践证明，诱变育种可以有效地改良品种的早熟、矮杆、抗病和优质等单一性状。当有益性状与不良性状存在连锁关系时，辐射能打破连锁，修缮品种。3 育种程序简单，变异稳定快，育种年限短 诱变多为一个主基因的改变，后代稳定快。如一、二年生草花，F 3 可稳定，3-4 年即可出品种。特别是对生长周期长、无性繁殖的药用植物可显著加快育种进程。4 克服远缘杂交不亲和性，改变植物的授粉、受精习性 如瞿麦与石竹远缘杂交，先将石竹干种子用Co-60射线照射后播种，选变异株做亲本进行杂交，从而获得远缘杂种。另外，辐射处理还可以改变植物自交不亲和性，以及诱变出雄性不育的材料。5 诱发突变的方向和性质难以掌握，有利突变频率较低 突变位点随机；突变方向偶然（有益或无益）。有益突变少，无益突变多，且往往相伴随，使突变体难以直接育成新品种，只能用作育种材料。此外，改良微效多基因控制的数量性状效果较差。另外，u突变体的鉴定比较困难，不易区分生理损伤与遗传变异。u 特别是对体细胞诱变常会形成嵌合体，不易分离出纯的组织变异。u 加上突变又多是隐性突变，有利突变性状与不良性状常呈连锁关系。三、诱变育种的发展概况 最早是1927年穆勒用X射线处理果蝇诱发突变；上世纪30年代，人们开始在小麦、大麦、烟草、玉米等多种植物中进行了实验研究。我国诱变育种起步于 1956 年，诱变育种的成绩位居世界首位。在药用植物中，对牛蒡、灯心草、紫薇、截叶铁扫帚等采用辐射育种已育成了新品种。无性繁殖的大花马齿苋、刺茄子、金银花等也育成了新品种。1927年：穆勒用X射线处理果蝇诱发突变19341934年：年：TollenearTollenear第一个获得诱变烟草品种第一个获得诱变烟草品种ChlorinaChlorina。Radiation induced apple red skin mutant contrastmutant contrastmutantRadiation induced resistance of barley mutantcontrastmutantRadiation induced awn of barley mutantcontrastmutantRadiation induced height of barley mutant第二节 辐射育种的射线种类和处理方法一、射线的种类及其特征 质子 带电粒子 射线 粒子辐射 射线 快中子 电离辐射 不带电粒子 慢中子 热中子 辐射 电磁辐射 射线 X 射线 非电离辐射 紫外线、激光（一）紫外线 紫外线是一种波长（200-390nm）、能量较低的低能电磁辐射，不能使物质发生电离，属非电离辐射。来源：紫外灯 特点：一种低能的电磁辐射（1360-3900 埃）；2500-2900 埃诱变效果较好 穿透能力极弱，多用于处理花粉、孢子和微生物（二）电磁辐射1、X 射线 一种核外电磁辐射，是原子中的电子从能级较高的激发状态跃迁到能级较地低状态时发出的射线。来源：X 光机：用具有一定能量的阴极射线（电子束流）去轰击重金属钨靶或钼靶而产生。特点：X 光子波长较短（10-6-10-9 m），穿透力较强；一次不能照射大量材料，诱变效果不及射线2、射线 射线是核内电磁辐射，是原子核从能级较高的激发状态跃迁到较低的状态时发出的射线。是原子核衰变时释放的能量载体。来源：钴-60、铯-137、核反应堆 特点：一种高能电磁波（丙种射线）；波长短（10-8-10-11 cm），穿透力强；可同时处理大量材料 目前常用的照射装置有:钴室,钴圃,钴人工气候辐照室。（三）粒子辐射粒子辐射是由具有静止质量的粒子组成。1、不带电粒子 中子 是中性粒子，按能量分为：热中子、慢中子、中能中子、快中子和超快中子。来源：核反应堆、加速器、同位素 特点：电离密度大，常引起大的变异 2、带电粒子射线 是带正电的粒子束，由两个质子和两个中子组成，也就是氦的原子核。来源：由天然或人工的放射性同位素衰变中产生的。特点：穿透力弱，电离密度大。作为内照射源时，对有机体内产生严重的损伤，诱发染色体断裂的能力很强。射线 由电子或正电子组成的射线束。来源：放射性同位素、电子加速器 特点：穿透力较弱，射线的穿透力更弱（一般不用），电离密度小。只用于内照射（溶液浸种）（四）其他物理诱变剂1、电子束 来源：电子直线加速器 特点：高能电子流（5-20Mev）；穿透力强（几厘米）M 1 生物损伤轻，M 2 诱变效率高 2、激光 受激辐射产生的一种新型光源。来源：激光器（CO 2 激光器、N 2 激光器、红宝石激光器、氩粒子激光器等）特点：一种中低能的电磁辐射（新光源）亮度高、单色性、方向性、相干性好；非电离，激发作用。（五）航天搭载 航天搭载是利用返回式卫星进行农作物新品种选育的一种方法。利用空间环境技术提供的微重力、高能粒子、高真空、缺氧和交变磁场等物理诱变因子进行诱变和选择育种研究。空间环境的显著特征是辐射强烈、微重力（失重）、微地磁、高真空、超洁净、低氧等。与传统辐射育种相比，航天搭载育种具有诱变作用强、变异幅度大和有益变异多等优点。如：卫星87-2青椒，是一果实大、品质优良的甜椒品种，较原品种增产30%-50%，果实中的维生素C及可溶性固形物含量分别比原品种高20%和25%。(六)离子注入 把某种元素的原子电离成离子，在几十至几百千伏的电压下加速形成较高速度的离子束射入到生物体内，诱导可遗传变异，继而选育新品种的过程。离子注入到生物体的某一部位上，引起局部的、强烈的、难以修复的损伤，导致基因突变。二、辐射处理的方法二、辐射处理的方法（一）处理材料的选择（一）处理材料的选择1、种子照射：可采用干种子、湿种子或萌动种子进行照射。多用干种子，并在干燥有氧条件下进行。优点：可同时处理大量种子；操作方便；便于贮藏、运输；受环境条件的影响较小。缺点：所需剂量大，要求强度大的放射源。要求：种子预先精选，不含杂物；照射后及时播种，以免产生贮存效应。2、植株照射：对完整植株进行辐射，如盆栽苗、田间苗等。还可以局部照射，照射花序、花芽或生长点，可以在整个生育过程连续照射，也可以只处理某个发育时期。3、花粉照射 先将花粉收集于容器内，经照射后立即授粉（适合花粉生活力强，寿命长，花粉量大）；或者直接照射植株上的花粉（田间照射、上盆后进行室内照射、切花照射）。优点：很少产生嵌合体 4、子房照射：照射子房可以引起卵细胞突变，还可以诱发孤雌生殖。自花授粉植物，人工去雄后照射 授粉，辐射剂量不宜过高 5、合子和胚细胞 合子和胚细胞处于旺盛的生命活动中，辐射诱变效果较好。6、营养器官照射：无性繁殖植物常用繁殖器官进行处理，如用枝条、块茎、鳞茎、球茎、块根、幼芽等进行辐射处理。照射处于活跃状态的新生组织，效果较好；受照射器官内芽原基所含的细胞越少越好；组织充实、生长健壮、芽眼饱满的芽条，照射后易于成活。但是无性繁殖为主的植物，有的有性世代较长，或者很难进行有性繁殖，隐性突变的纯化和显现比较困难，需要较长时间。7、离体材料照射：单细胞、愈伤组织、叶片等组织培养物。如原浙江农业大学用射线处理小麦幼胚愈伤组织，育成了小麦新品种核组8号。（二）辐射处理方法（二）辐射处理方法1 外照射（exogenome irradiation）指 辐射源 不进入植物体内，只是利用其射线（如射线，射线，中子）从外部照射植物各个器官。可分为急性照射、慢性照射、连续照射和分次照射等各种方式。特点：简单安全；适于处理大量试材；可进行一代照射和多代重复照射，一次照射和多次照射。室外活体辐照圃室内辐照源急性照射（acute irradiation）：即快照射，采用较高的剂量率进行短时间连续照射。慢性照射（chronic radiation）：用低剂量率在植物的某一个生长期内进行长时间连续照射，需要专门的田间辐射场。2 内照射 将放射性元素引入植物体内，由其放射出的射线在体内组织和细胞内进行照射。特点：是一种慢性照射 放射性元素在体内的分布极不均匀，一般在生长点、形成层放射性较高 放射性元素不断衰变，如果这些放射性元素已成为遗传物质核酸的成分，其衰变本身也会有一定的诱变效应。处理方法：1）浸种法：将放射性同位素 32 P、35 S 等，配成一定比例浓度的溶液，浸泡种子或枝芽。2）注射或涂抹法：用注射器将放射性溶液注入植株或枝条内；或用放射性溶液涂抹叶片、枝条伤口等处。3）喂饲法（施肥法）：将放射性同位素施于土壤或加入培养基中，经根部吸收进入体内。4）合成法：供给植物14CO2，使植物通过光合作用将放射性的14C同化到代谢产物中引起变异。（三）辐射剂量的确定（三）辐射剂量的确定1、影响辐射敏感性的因素1）遗传因素：不同的科、属、种及品种，敏感性有差异。豆科植物 禾本科 十字花科 原始类型的耐受性较大，具有较大的损伤修复能力；二倍体植物比多倍体敏感，多倍体染色体的重复抵消了射线的效应，而且辐射损伤小。2）不同的器官组织和不同分裂时期的细胞 分生组织 其它组织；性细胞 体细胞；卵细胞 花粉细胞；小孢子母细胞 发育中的小孢子 根尖分生组织 3）植物不同的发育阶段及生理状态 萌动的种子、枝条、鳞茎 休眠的种子、枝条、鳞茎；配子体 枝条 种子；未成熟种子 成熟种子；种子含水量低 含水量高 4）外界环境条件 种子含水量是影响诱变效果的主要因素之一。温度：温度降低，敏感性减弱 氧气：有氧 无氧；无氧条件下，幼苗损伤与染色体畸变减少，突变率相对减少。照射后种子贮存时间的长短会影响种子的生活力，一般都在处理后近早播种。2、诱变剂量及其单位 诱变剂量（induced dose）是指对植物材料进行辐射诱变时使用的处理剂量。1）照射剂量 照射量（照射量（X）：用于度量 X 射线和射线的剂量，指 X 射线或射线在单位质量空气中产生电离大小的物理量。SI 单位：库仑/千克（c/kg），常用单位：伦琴 R。粒子注量（中子流量）：粒子注量（中子流量）：指辐射场中通过与辐射方向垂直的单位面积的粒子数。单位：单位平方厘米的中子数 n/cm2。常用来度量中子的辐射量。2）吸收剂量（D）指单位 质量的被照射物质实际吸收的辐射能量。SI 单位：戈瑞 Gy（=J/kg），常用单位：拉特 rad。1Gy=100rad 3）放射性强度 用来衡量 辐射源 的辐射强度，以放射性物质在单位时间内发生的核衰变数目来表示。SI 单位：Bq（贝克），常用单位：Ci（居里）。1Bq=2.073 10-11 Ci；1Ci=3.7 1010 个核发生衰变/秒4）剂量率：单位时间内被照射植物材料所受的照射剂量或吸收剂量。照射量率：单位时间内的照射量。单位：c/kgs，R/h，R/min，R/s 粒子注量率（通量密度）：单位时间内的粒子注量。单位：n/cm2 s 吸收剂量率：单位时间内的吸收剂量。单位：Gy/min，Gy/s，rad/h，rad/min，rad/s 3、适宜诱变剂量与剂量率的确定 1）致死剂量（LD 100）：辐射后引起全部植物材料死亡的最低剂量。2）半致死剂量（LD 50）：辐射后引起 50%植株死亡（与对照相比）的辐射剂量。3）临界剂量（LD 60）：辐射后成活率为对照 40%的辐射剂量 通常采用半致死剂量（LD 50）或临界剂量；但也有人 建议，将植物的成活率 60%75%时所对应的辐射剂量定为最适剂量。剂量率多在 50-200R/min 较好 干种子：60-100R/min 左右；花粉：10R/min 左右第三节 辐射育种的生物学原理一、辐射的生物学反应一、辐射的生物学反应1 辐射对机体的作用 1）直接作用 射线直接击中生物大分子，使其产生电离或激发，引起原发反应。核辐射引起电离激发，从而引起碱基结构的变化；核辐射的作用使DNA上的各种化学键受到破坏；核辐射引起DNA上的碱基破坏后，四种碱基都可能在复制时无差别的插入链中。2）间接作用 射线作用于有机体的水，引起水的电离和激发，产生自由基，这些自由基再作用于生物大分子，导致突变的发生。3）辐射生物学作用的时相阶段 物理阶段：辐射能量使生物体内各种分子发生电离和激发；物理化学阶段：发生电离和激发的分子通过一系列反应产生许多化学性质高度活泼的自由基；生物化学阶段：自由基相互作用，并与周围其它物质发生反应，引起分子结构的变化；生物学阶段：细胞内生化过程发生改变，导致细胞内各部分结构及组成发生变化，包括染色体畸变和基因突变。2 辐射对遗传物质的作用 1）辐射对染色体的作用 染色体在射线作用下，断裂的频率增加，断裂后的染色体在射线作用下，断裂的频率增加，断裂后的染色体重新连接，产生四种染色体染色体重新连接，产生四种染色体结构变异结构变异缺失缺失 染色体丢失了带有基因的片段；染色体丢失了带有基因的片段；重复重复 染色体个别节段的增加；染色体个别节段的增加；倒位倒位 正常染色体上的某一节段发生断裂后，倒转正常染色体上的某一节段发生断裂后，倒转180又重新连结起来；又重新连结起来；易位易位 非同源染色体之间交换片段的结构变异。非同源染色体之间交换片段的结构变异。同时，辐射也可引起染色体同时，辐射也可引起染色体数量变异数量变异，产生非整倍，产生非整倍体。体。2）辐射对 DNA 的作用 引起 DNA 链的断裂和修复 单链的断裂与修复：超快修复（ligase）；快修复（polymerase I ligase）；慢修复（多种酶参加）双链的断裂与修复 碱基的破坏与修复辐射可使A-T，C-G之间的氢键断裂；在1或2个DNA链中，糖与磷酸基之间发生断裂;同一DNA上相邻胸腺嘧啶之间形成二聚体；DNA链的断裂和交联。二、辐射生物学现象二、辐射生物学现象（一）植物材料的辐射敏感性（一）植物材料的辐射敏感性 辐射敏感性（radiosensitivity）在完全相同的辐射条件下，不同植物的各种生理过程破坏和组织损伤的程度有差异。植物辐射的敏感性并不是一个孤立的特性，它和植物本身的遗传性、生理状态、射线的性质及环境条件都有密切关系。（二）辐射处理后的嵌合现象 辐射处理多细胞组织时，由于射线在遗传物质上作用区域的随机性，往往出现突变细胞与正常细胞嵌合或两种不同突变细胞的嵌合。如大丽菊上发生嵌合后，反映到花器官上呈现不同的颜色。（三）辐射引起的代谢紊乱 1、能量代谢上的不平衡。经照射的种子呈现一种供能少和耗能多的代谢紊乱的表现。2、代谢变化呈进程性的动态过程。植物受照射后出现的刺激、抑制和致死等生物学现象，不是在照射的初期发生的，而是经过一段时间以后才表现出来。第四节 诱变材料的选择及突变体的鉴定、筛选一、诱变材料的选择 1 选用综合性状优良的品种，通过诱变改良个别性状的缺点。2 选择多倍体，可以忍受染色体畸变的能力，减少突变体的死亡率，使突变体的后代获得较多的变异。3 尽可能选用单细胞或单倍体的植物材料。即使是隐性突变都能在处理当代显现出来，易于识别和选择，并可缩短育种年限。4 选择体细胞培养产生的愈伤组织。二、诱变后代的鉴定 1、植物损伤鉴定 致死效应；生产势下降；活力指数下降。2、细胞学效应鉴定：染色体观察 3、突变体性状鉴定：统计分析 三、诱变后代的培育和选择1、种子诱变后代的选择 M 1（指处理的种子长成的植株或蕾期前处理的植株）：常表现复杂的突变嵌合体，一般不作选择；采取密植，多收种子。M 2（指 M 1 所结的种子及由它长成的植株）：主要的分离、选择世代 M 3 及以后各代：从 M 2 选出优良突变体，每株种一小区。若 M 3 稳定，进入品种试验；如 M 3 分离，继续选择。一般从 M 4 可进入品系鉴定。2、花粉诱变后代的选择 用突变的花粉授粉的后代，整个植株可带上变异，成为异质结合体，不会出现嵌合体。M 1-照射的花粉或照射处于配子体发育时期的植株 M 2-所结的种子（包括变异花粉所结的种子），及由其长成的植株(可进行选择)M 3-出现性状分离 3、无性繁殖器官诱变后代的选择 无性繁殖的植物在遗传上大多是异质的，辐射后发生的变异，通常在当代就可表现出来，后代选择可从 M 1 开始。分离突变的方法：不定芽技术（adventitious bud technique）：诱导处理材料产生不定芽。不定芽是指植物从茎的节间、根或叶上生出的呀